電磁屏蔽技術在產品結構設計中的應用研究

摘要：首先介紹了電磁屏蔽技術的應用領域及作用，其次對產品結構設計中常用的電磁屏蔽方法進行了分析，并對鋁制機箱產品進行了屏蔽試驗，驗證了電磁屏蔽技術的應用效果。

關鍵詞：結構設計;電磁屏蔽技術;電磁兼容

0 引言

電磁干擾主要是指在設備工作環(huán)境中，設備相互之間產生的電磁波干擾以及設備內部產生的電磁波干擾。電磁屏蔽就是利用屏蔽體對電磁波產生衰減的作用，將電磁干擾能量限制在一定范圍內，用屏蔽效能值來衡量其限制干擾能力的大小。一般民用產品機箱的屏蔽效能要求在40 dB以下，軍用設備機箱一般要求達到60 dB的屏蔽效能。

1 產品結構設計中的電磁屏蔽技術應用

1.1? ? 屏蔽機柜設計

機柜主要作為標準上架和非標準上架設備的安裝載體，對內部所承載上架的設備單元進行防護。電磁屏蔽機柜針對電磁干擾環(huán)境，在機柜結構設計過程中采用了屏蔽技術，實現機柜對電磁波的整體屏蔽，進而配合整機設備的電磁兼容性。電子設備結構中常見的電磁干擾方式主要有傳導干擾和輻射干擾兩種，機柜屏蔽設計主要考慮機柜殼體的屏蔽及上架單元與機柜間的屏蔽，以實現機柜之間的電導通及導通連續(xù)性。將經過導通處理的機柜殼體接地，以實現機柜靜電屏蔽。

封閉式屏蔽機柜如圖1所示，標準上架式屏蔽機柜如圖2所示。封閉式屏蔽機柜通過對整體機柜利用厚鋁板進行六面搭接，實現機柜的整體密封，同時留出內外電氣連通接口，在對連通接口及其接口件進行屏蔽處理后，實現整體設備的電磁屏蔽。標準上架式屏蔽機柜首先實現框架及其上下、左右安裝配板之間的電導通及其連續(xù)性，再與前后上架安裝單元形成導通，最終實現對整機設備的電磁屏蔽。

1.2? ? 屏蔽機箱設計

常用設備機箱形式與機柜產品一樣，主要作為標準上架和非標準上架設備的安裝載體，其電磁屏蔽主要考慮機箱殼體的屏蔽及上架單元與機箱間的屏蔽。非標準上架式設備機箱，可采用金屬板（常用鋁板）通過機械加工或者折彎的方式成型，通過表面處理對整機機箱完成導通連續(xù)性處理，可以達到40～60 dB的屏蔽效果;也可采用復合材料，常用的如碳纖維、玻璃纖維等加工機箱殼體。碳纖維具有良好的電導通性，利用其制作的機箱可以達到35 dB的屏蔽效果。而玻璃纖維成型機箱的電導通及導通連續(xù)性是通過在箱體纖維布層間增加銅網以實現機箱對電磁的屏蔽。

密閉式屏蔽機箱如圖3所示，這種材質的全封閉式機箱，均通過保證外殼的導通連續(xù)性以及外部接口的屏蔽、濾波處理來實現整臺設備的電磁屏蔽。其中，濾波處理主要是針對進入設備內部的外部電源以及內外聯結的電信號加裝濾波器，進行電源及信號的濾波。

2 屏蔽效能分析

電磁屏蔽技術在箱柜產品結構中的應用，主要考慮對結構縫隙的屏蔽處理和對殼體的屏蔽處理。因此，此類屏蔽技術的屏蔽效能主要取決于結構縫隙屏蔽材料的選擇和對產品殼體的屏蔽處理方式。

2.1? ? 結構縫隙屏蔽材料及效能

針對結構縫隙、孔洞的屏蔽處理，主要采用導電橡膠、導電布等屏蔽材料。常用的屏蔽材料及效能如表1所示。

2.2? ? 殼體屏蔽方法及效能分析

2.2.1? ? 殼體屏蔽方法

常用設備機箱作為標準上架設備的安裝載體時，其電磁屏蔽處理方法仍是將機箱殼體進行整體導通性處理，從而實現除前后安裝的上架設備以外的機箱的電導通連續(xù)性。其中，機箱可由金屬或非金屬材質制作成型，金屬機箱可直接通過表面處理實現導通性處理。非金屬機箱有玻璃鋼和碳纖維兩種，碳纖維作為導電體，具有一定的電導通性。玻璃鋼機箱為非導體，需要對機箱箱體進行導電處理，并保證其電導通的連續(xù)性。常用的非導體電導通處理方法如表2所示。

由表1可知，玻璃鋼箱體的電導通處理方法是在箱體壁內部加裝金屬銅網，實現其金屬化處理，以保證機箱箱體的電導通及導通連續(xù)性。

2.2.2? ? 屏蔽效能計算分析

屏蔽效能是衡量電磁波經過屏蔽物時能量被衰減多少的量。本文以經過屏蔽處理后的箱柜殼體屏蔽效能進行分析計算，并以效能能量場原理來闡述屏蔽效能，對于傳輸電磁波而言，屏蔽效能可以用傳輸線方程來分析，將平面波考慮為信號源，從前面入射到無限大平面薄板上。

屏蔽效能一般與頻率、屏蔽物的形狀與材料、屏蔽中測量的位置、電磁波種類、電磁波的入射及極化方向等有關。

電場的屏蔽效能計算公式：

磁場的屏蔽效能計算公式：

式中：S為屏蔽性能;E0、H0為電磁波入射的電場、磁場強度;E1、H1為經過屏蔽物后的電場、磁場強度。

此外，當電磁波穿過任何金屬物時，通常有兩種類型的損耗：吸收損耗和反射損耗。

因此，屏蔽效能計算公式又可寫成：

式中：A為吸收損耗;R為反射損耗;B為正或負的修正項。當A大于15 dB時，B可忽略不計，B是由屏蔽體內反射波引起的。

式（3）中的各項可以視為相對于銅材料的電導率σ和磁導率μ、頻率f以及所存在的各種物理參數的函數。表3為常用屏蔽材料的電特性參數。

2.2.3? ? 吸收損耗

吸收損耗A不僅取決于σ、μ、f，還取決于屏蔽材料的厚度d（cm）。

以機箱采用2 mm厚鋁板加工為例，其吸收損耗為：

本文最終要符合3個頻段的實驗要求，為了驗證所選材料在各頻段的屏蔽效能是否達到要求，可以將各頻段兩端極限值最為驗證點，分別取f=25 Hz、10 kHz、100 kHz。因此，可得吸收損耗A=1.023 dB、20.46 dB、64.7 dB。

2.2.4? ? 反射損耗

屏蔽體的反射損耗不僅與材料本身的特性（電導率、磁導率）有關，還取決于干擾源的電磁性能和屏蔽體到干擾源之間的距離r（cm）。

低阻抗磁場源（如距離≤λ/2π的環(huán)）的反射損耗為：

高阻抗電場源（如距離≤λ/2π的棒）的反射損耗為：

平面波（如距離≥λ/2π的棒或環(huán)）的反射損耗為：

如果λ/2π=2.65 cm≤r，那么平面波的反射損耗R分別為：151.8 dB、125.8 dB、115.8 dB。

2.2.5? ? 內部修正

如果A≥15 dB，修正項B可以忽略不計。如果A<15 dB，則必須對因屏蔽材料內部多次反射而造成的影響進行修正。這個修正項B是復雜的，取決于材料、尺寸和頻率參數大小。通常A=1.23 dB<15 dB，此時：

從總的屏蔽效能S=A+R+B可以得知，無論B取多大值，所選材料的吸收損耗和反射損耗之和都已經大于屏蔽效能40 dB，對可以達到99%的抗干擾衰減量，滿足GJB 151A—97對設備RE102項傳導發(fā)射的屏蔽要求。

3 試驗驗證

本文對鋁制機箱產品進行GJB 151A—97中RE102項屏蔽試驗，屏蔽效果如圖4所示。

由圖4可知，對以機箱為載體的設備進行10 kHz～10 MHz掃頻時，在10～500 kHz頻段可以達到70～100 dB的屏效效能;在500 kHz～10 MHz頻段范圍內，屏蔽效能也可達到40 dB;只有在5 MHz頻段附近出現凸點，但不影響設備的屏蔽效果。

4 結語

電磁屏蔽技術在產品結構設計中的應用，需要根據整機設備的電磁兼容要求，進行結構部分的屏蔽設計目標分解，通常結構部分是以屏蔽效能來衡量屏蔽設計效果。軍用設備的電磁兼容性要求，根據應用場所不同，需要滿足的項目指標不同。此外，電磁屏蔽技術在產品結構設計中的應用，還要考慮外部電氣接口屏蔽及電磁兼容的配合設計要求。

[參考文獻]

[1]軍用設備和分系統電磁發(fā)射和敏感度要求：GJB 151A—97[S].

收稿日期：2020-07-29

作者簡介：韓艷霞（1981—），女，河南滑縣人，工程師，研究方向：機械設計。